滾動軸承是旋轉機械的重要組成部分，同時也是旋轉機械中最容易出現故障

的部件之一。它具有造價較低、潤滑冷卻方便、運行靈敏、使用效率較高、維修

便捷等優(yōu)點，在機械行業(yè)應用廣泛。據有關統(tǒng)計顯示，在旋轉機械故障率中有近

30%的故障是由于滾動軸承發(fā)生故障而引起的，所以，對滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測和

故障診斷進行研究勢在必行。

監(jiān)測與診斷的目的和意義

滾動軸承正常運行與否，對于整機的可靠性、精度以及壽命等性能有很大的影

響。據有關統(tǒng)計顯示，在旋轉機械故障率中有近30%的故障是由于滾動軸承發(fā)生故

障而引起的，在將故障診斷技術運用到生產中以后，事故率降低近70%,同時降低

的維修費用也有近4。%。

利用軸承狀態(tài)監(jiān)測技術可以了解軸承的使用性能，并對可能發(fā)生的故障進行早期檢

測，分析和預測可能發(fā)生的故障，進一步提高設備的管理水平和維修效率，經濟效益十

分顯著。

軸承故障診斷的發(fā)展歷程

軸承故隙診斷剛開始主要是依靠人工聽覺來診斷，再有就是利用探聽棒，這種

方法在許多企業(yè)中目前仍在使用，不過一些工具已經被改進到電子聽診器等。

例如，當使用電子聽診器檢測軸承故障時，具有經驗豐富的人員可以憑經驗診

斷軸承疲勞剝落，有時還可以診斷出損傷發(fā)生的位置，但由于其它的外部原因，這

種方法的可靠性有時會無法得到保證。

隨著科技的發(fā)展，越來越多的振動儀器被運用到滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測工作中。

這些儀器利用振動位移、速度和加速度的均方根值（RMS）或峰值來判斷軸承是否

有故障。這些儀器減少了我們對經驗的依賴，使得監(jiān)測和診斷的準確性有了很大的

提高，但是在故障發(fā)生的初始階段仍然很難及時做出準確的診斷。

瑞典公司在多年研究軸承故障機理的基礎上，于1466年發(fā)明了脈沖計檢測軸

承損傷的方法，很大程度上提高了滾動軸承故障診斷工作的準確性和及時性。此后，

許多公司都安裝了大量的振動監(jiān)測傳感器來監(jiān)測軸承的長期運行，再有就是航天領

域也采用了這樣的監(jiān)測儀器。

工。7公-訂。年，公司研制了NB系列軸承監(jiān)測儀，利用軸承振動信號的

1~15kHz范圍，測量了軸承故障的均方根和峰值。通過對低頻的濾波，提高了靈

敏度。

隨著滾動軸承運動學和動力學的發(fā)展，人們對軸承振動信號的頻率分量與軸承

幾何尺寸和缺陷類型的關系有了深刻的認識。滾動體共振頻率、滾動軸承振動與缺

陷、非均勻尺寸與磨損的關系最具代表性。

目前，用于滾動軸承故障診斷的信號分析儀種類繁多。根據滾動軸承振動波形

在時域上的分析，美國公司提出了"波尖能量"法，并彝明了與之匹配的檢測儀器，

極大推動了軸承故障診斷技術的發(fā)展。

滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷有多種分析和處理技術，如頻率細化技術、倒譜技術、

包絡分析技術等。為了提高診斷靈敏度，在信號預處理中采用了相干濾波和自適應濾波

等多種濾波技術。

滾動軸承的主要失效形式

疲勞脫落

滾動軸承的滾動體和內外滾道在軸承區(qū)域輪流進出。由于長期載荷變化的影響，

疲勞裂紋首先產生于接觸面以下的最大交變剪應力的地方，隨后疲勞裂紋會延伸到

接觸表面，在接觸表面會產生斑點狀的剝落，運行時間越來越長，點狀剝落也會慢

慢的發(fā)展為更大的剝落，此種情況稱為疲勞剝落。疲勞剝落是滾動軸承失效的最主

要原因，因此，軸承壽命通常是指軸承的疲勞壽命。

磨損

磨損的主要原因是滾珠與滾道之間的相對運動以及有異物進入滾道而引起的表

面磨損。另外，潤滑狀態(tài)不良也會使得軸承的磨損更加嚴重，最終使得軸承游隙超

過最大允許的游隙，使得其表面粗糙度增加從而降低了軸承的工作精度，軸承包因

此無法正常工作而發(fā)生故障。

膠合

在高速、重載的工況卜，軸承滾道與滾動體接觸表面有輕微的凹凸不平或存在

異物顆粒，使得工作表面受到的力變得不均勻，由于摩擦接觸產生的熱變形和摩擦

表面可能是部分融化從而導致表面燒傷及膠合。

斷裂

當軸承承受過大的載荷和振動時，內、外圈的缺陷位置將反復受到振動體的沖

擊，缺陷符逐漸擴展和斷裂。

銹蝕

潤滑油中含有的水或空氣中的水分凝結在軸承上，會使得其表面發(fā)生銹蝕。當

軸承內部有較大的電流通過會造成電腐蝕，使得表面摩擦不均。

其他

另外,裝配和使用方式不正確可能會使保持架發(fā)生變形,保持架與滾動體之間

的摩擦會變大，使它與滾動體粘在一起，還有可能會使保持架與內外圈之間的摩擦

變大。振動和噪音進一步變大，最終造成軸承損壞失效。

滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測技術

滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測技術主要包括振動信號分析、軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測、溫度險測

等。

1

振動信號分析診斷法

在滾動軸承的監(jiān)測診斷方法中使用最廣泛的一種方法就是振動信號分析診斷法。

當滾動軸承表面部分受損時，軸承會產生周期性的寬帶脈沖激勵信號。滾動軸承振

動的頻譜結構可分為三類：

（X）低頻譜（低于1kHz）,包括軸承的故障特征頻率和加工誤差引起的振動

特征頻率。對于低頻段的頻段譜線進行分析，可以診斷軸承的相應故障。

（2）中頻譜（工?2OkHz）,軸承表面損傷而引起的軸承的固有振動頻率。

一般是采用共振調節(jié)技術獲得高信噪比的振動信號.從而進行軸承故障分析。

（3）高頻譜（超過20kHz）,是指軸承損壞造成的影響超過20kHz頻率能量分布，

主要包括信號包含超過201dlz高頻部分。高頻信號分析通常作為診斷初期軸承故障最常

用的一種方法。

2

軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測診斷法

當軸承滾動表面的潤滑狀態(tài)發(fā)生變化，如從全液潤滑過渡到干摩擦時，金屬間

的直接接觸時間會不斷漕加，軸承所受的沖量值也會相應增加，油膜阻力隨之不斷

減小。因此，油膜電阻診斷法和油膜厚度法是監(jiān)測工作中常用的兩種方法。

3

溫度監(jiān)測診斷法

滾動軸承作為一種旋轉部件，在工作時就會有熱量產生。當軸承發(fā)生某種戰(zhàn)傷

時，軸承溫度會發(fā)生變化，因此，軸承溫度監(jiān)測方法可以用于診斷軸承的故障。但

是，當軸承溫度出現明顯異常時，所發(fā)生的故障往往」經達到非常嚴重的程度，所

以這種方法主要用于輔助監(jiān)測和診斷，確保重要設備不會發(fā)生報廢事故。

滾動軸承的主要失效過程

第一階段：軸承失效的起始階段，其頻率范圍約為2。~60kHz或更高。此階

段可以采用各種電子儀器來采集這些頻率，比如沖擊脈沖、峰值能量和其他超音頻

測量儀器。在此階段，將沒有關于普通光譜的指示。

第二階段：由于軸承上的庇點增大，使它在共振頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時，該

頻率也被用作載波頻率調制的軸承故障頻率。

第三階段：出現軸承故障時的頻率，在初始階段只能觀察到頻率本身。隨著軸

承磨損進一步加劇，故障頻率的峰值將會進一步增大。通常波峰都是隨時間而線性

增加的。

第四階段：隨著故障的發(fā)展程度逐漸嚴重，故障頻率會產生諧波。這表明故障

頻率諧波的影響有時可能比基波峰值頻率更早被檢測。同時，脈沖將顯示在相應的

時域波形中。

第五階段：故障發(fā)生的狀態(tài)進一步加劇，軸承的損傷程度也會逐步加深，振動

水平將繼續(xù)上升，更多的諧波也會隨之產生。時域波形的峰值將更加清晰和明顯.

甚至可以通過測量峰值之間的時間間隔來計算故障頻率。高頻軸承檢測（如峰值能

量和沖擊脈沖）的趨勢都是在不斷上升的。

第六階段：由于磨,員引起的間隙變大，1倍頻的振幅也會增加，也會產生1倍

頻的諧波。

第七階段：此階段故障頻率和邊帶形成山峰狀，通常被稱為"干草堆"峰，這是

由于寬帶噪聲所致。此時，軸承發(fā)出的噪音會高于之前，在此階段，高頻軸承測量

值會慢慢的變少，雖然測量出振幅會有下降的變化.但應盡快更換新的軸承。

第八階段：頻譜中的“干草堆”將繼續(xù)擴大，諧波會隨著松動的增加而逐漸變大,

高頻軸承測量值可能會繼續(xù)卜.降，但此時，噪音的分貝值正在上升，在一定距離內

都可以很清楚地聽到軸承發(fā)出的噪音，此時軸承已經接近完全損壞報廢。

第九階段：經過此階段后，譜線變成了一條直線，機器將無法正常工作。

滾動軸承的故障頻率計算

滾動軸承主要有內圈、外圈、滾動體、保持架四部分組成。

圖示滾動軸承的幾何參數主要有：

軸承節(jié)徑D：軸承滾動體中心所在的圓的直徑滾動體直徑d：滾動體的平均直徑內

圈滾道半徑口：內圈滾道的半徑外圈滾道半徑r2：外圈滾道的半徑滾動體個數Z：滾珠

或滾珠的數目接觸角a：滾動體受力方向與內外滾道垂直線的夾角

滾動軸承的特征頻率：

為更好地分析軸承的運動參數，提出以下假設:

(1)滾道與滾動體之間無相對滑動；(2)內圈滾道回轉頻率為fi；(3)承受徑向、

軸向載荷時各部分無變形；

(4)外圈滾道回轉頻率為缶。

那么故障頻率分別為：

內圈：BPF/=S/2)?[l+(d/D)cos〃J?f。

外圈：BPFO=(八/2)?[l-?/D)cos〃J?f。

滾動體：BSF=(D/2d)?口-[?/D)cos<n論

保持架：FTF=(l/2)?[l-(d/D)cosa]?fb

當軸承的幾何尺寸不易測量時，在知道滾珠數量的時候，我們可以運用下列公

式來估計軸承的失效頻率：

內圈：BPF仁[M/2)+1.2j?fo

外圈：BPFO=[”2)T.2j?fi>

滾動體：3SF=O/2)?[(>/2)-(，2/八)J?fo

保持架：FTF=[(1/2)-(工.2/八)]論

滾動軸承的振動特征分析方法

1特征參數分析法

特征參數分析法在滾動軸承振動特性分析中起著重要的作用。特征參數分析法

只需幾個指標就能分析出軸承的運行狀態(tài)，因此使用方便，分析結果簡單，此外還

有對軸承狀態(tài)進行分析無需歷史記錄的優(yōu)點。

滾動軸承特性參數分析與診斷中常用的參數包括RMS、峰值等各種時域特性參

數和重心頻率等頻域參數。時域和頻域參數主要用于一些最基本的診斷，使用其中

之一的參數分析有時會得不到準確的診斷結果。因此，在實踐中應該進行合理的利

用，以獲得良好的效果。

2頻譜分析法

特征參數可用于軸承故障的初步診斷，但診斷出故障后，應通過頻譜分析法對

故障進行詳細的分析:滾動軸承的振動頻率由低頻分量和高頻分量組成。每個故障

都有特定的頻率分量與之相對應，需要通過信號處理方法分離出其頻率，用來判